Migliorare l’efficienza dei pannelli solari non significa necessariamente trovare materiali capaci di catturare una quantità maggiore di luce. Una parte dell’energia raccolta, infatti, viene persa durante il processo di conversione, anche attraverso fenomeni meno immediati da individuare. È proprio su uno di questi aspetti che si concentra una nuova ricerca dell’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), in Spagna, che propone un approccio diverso per rendere le celle fotovoltaiche più efficienti.
Il gruppo di ricerca ha dimostrato sperimentalmente come sia possibile limitare la quantità di luce emessa da una cella solare, intervenendo su una delle fonti di dispersione energetica. Il risultato apre una strada interessante, e secondo gli studiosi, perfezionando ulteriormente questa soluzione si potrebbe arrivare, almeno sul piano teorico, a un’efficienza vicina al 43%, superando il limite convenzionale previsto per le celle solari a singola giunzione.
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Come funziona la nuova tecnologia per le celle solari
Per capire la portata del risultato bisogna partire da un limite intrinseco della tecnologia fotovoltaica. Quando la luce colpisce una cella solare, il materiale semiconduttore assorbe i fotoni e genera cariche elettriche che possono essere sfruttate per produrre corrente. Non tutta l’energia però viene effettivamente trasformata in elettricità; una parte si disperde sotto forma di calore, mentre un’altra può essere riemessa dalla cella sotto forma di luce.
Quest’ultimo fenomeno è al centro dello studio dell’ICFO e viene indicato come perdita di Boltzmann (Boltzmann loss). Il problema nasce da una differenza nel comportamento della luce; quella proveniente dal Sole raggiunge la superficie del pannello all’interno di un cono relativamente ristretto, mentre la cella tende a emettere fotoni in una gamma di direzioni molto più ampia.
Questa dispersione riduce la quantità di lavoro utile che il dispositivo può ricavare dall’energia assorbita. L’obiettivo dei ricercatori è quindi intervenire non tanto sulla capacità di catturare la luce solare, quanto sul modo in cui la cella la riemette, restringendo l’angolo di emissione e riducendo le perdite associate. Per riuscirci, il gruppo ha lavorato su una cella fotovoltaica organica basata sulla miscela PM6.
La modifica principale ha riguardato l’elettrodo frontale: al posto del tradizionale ossido di indio-stagno (ITO), i ricercatori hanno utilizzato un sottile strato di argento; insieme all’elettrodo posteriore e agli strati intermedi, questa configurazione crea una sorta di cavità ottica. La struttura è progettata per riflettere la luce emessa dalla cella quando tenta di uscire con angoli più ampi, senza impedire alla radiazione solare di entrare nella direzione utile; in questo modo quindi diventa possibile restringere il cono di emissione e contenere una parte delle perdite energetiche che normalmente accompagnano il funzionamento del dispositivo.
Dal limite teorico del 33,16% a una possibile efficienza del 43%
Il risultato più interessante riguarda le prospettive di questa soluzione. Per le celle solari a singola giunzione, il limite teorico di efficienza comunemente associato al modello di Shockley-Queisser è pari al 33,16%; si tratta di un riferimento fondamentale per la fisica del fotovoltaico, che descrive le perdite intrinseche considerate dal modello.
Secondo Francisco Bernal Texca, primo autore dello studio, ridurre ulteriormente l’angolo con cui la cella emette luce, avvicinandolo a quello della radiazione solare in ingresso, potrebbe consentire di raggiungere efficienze prossime al 43%. Risulta però importante distinguere tra il risultato effettivamente ottenuto e la prospettiva indicata dai ricercatori; l’esperimento dimostra la possibilità di controllare l’emissione dei fotoni, ma non ha prodotto una cella con un’efficienza del 43%.
La sperimentazione è stata condotta su un dispositivo organico, ma il principio alla base della soluzione non sarebbe necessariamente legato a questa specifica famiglia di materiali. Il gruppo ritiene infatti che l’approccio possa essere applicato, almeno in linea di principio, anche ad altre tecnologie fotovoltaiche.
Un altro aspetto interessante riguarda la struttura della cavità ottica, che secondo gli autori non richiede un processo di fabbricazione particolarmente complesso rispetto ad altre soluzioni attualmente studiate per migliorare le prestazioni delle celle solari. Saranno comunque necessari ulteriori sviluppi per capire come adattare il sistema a dispositivi differenti e, soprattutto, per valutarne la scalabilità industriale.
Quando arriveranno pannelli solari più efficienti?
Per chi sta pensando di installare un impianto fotovoltaico, la ricerca rappresenta soprattutto una prospettiva per il futuro. Non siamo infatti davanti a una nuova generazione di pannelli già pronta per la commercializzazione, né a una tecnologia che permetterà nell’immediato di raddoppiare la produzione elettrica di un impianto domestico.
I pannelli disponibili sul mercato si collocano generalmente su livelli di efficienza sensibilmente inferiori al 43%, mentre il lavoro dell’ICFO riguarda per ora una cella sperimentale e un principio fisico che dovrà essere ulteriormente sviluppato. Al momento non sono state indicate tempistiche per un’eventuale applicazione commerciale.
Se la tecnica dovesse dimostrarsi efficace anche su scala industriale, il vantaggio potrebbe essere importante, ovvero produrre più energia a parità di superficie installata, riducendo potenzialmente il costo per watt e la quantità di materiali e spazio necessari per realizzare gli impianti. Per ora, tuttavia, il contributo più importante della ricerca è aver individuato un nuovo modo per affrontare una delle perdite energetiche che limitano le prestazioni del fotovoltaico.
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